发明内容

根据独立权利要求的主题可以满足该需要。从属权利要求描述了本发明的有利实施例。

根据本发明的实施例，提供了一种用于针对惯性响应来估计（特别是最大）附加功率输出（风力涡轮机功率输出的附加功率输出，特别是超过功率输出当前值的附加功率输出）的方法，该附加功率输出将可用于遍及预设惯性响应时间间隔来输出，该方法包括：获得至少风力涡轮机转子的旋转速度和风力涡轮机的功率输出的当前值；基于所获得的当前值以及预设惯性响应时间间隔的剩余时间间隔（特别是当前时间点与惯性响应的结束时间点之间的差）来导出附加功率输出，特别地，使得附加功率可用于在整个预定惯性响应时间间隔期间输出。

附加功率输出可以特别地是风力涡轮机的附加有功功率输出。附加功率输出可以是在整个预设惯性响应时间间隔内由风力涡轮机输出的高于或超过当前输出的有功功率的最大有功功率。可以估计附加功率输出，使得所估计的附加功率输出可以实际上在预设惯性响应时间间隔期间被输出。

预设惯性响应时间间隔可以例如由公用电网操作者或由风电场操作者来设置、或者在场级别（park level）或在涡轮机级别上设置。预设惯性响应时间间隔可以例如在1秒与几分钟之间，特别地在5秒与5分钟之间，进一步特别地在5秒与20秒之间。

惯性响应可以涉及风力涡轮机的操作，在该操作期间，附加（例如，有功）功率输出被提供给公用电网。可以例如从公用电网操作者或者风力涡轮机操作者或控制者来请求惯性响应。例如，在公用电网中的频率下降的情况下，可以发起或请求惯性响应。当例如提供给公用电网的所产生功率的量小于消费者所消耗的功率时，公用电网内的AC功率的频率可能会降低。在这种情况下，可能需要风力涡轮机向公用电网提供附加功率输出，以便恢复所产生功率与所消耗功率之间的平衡，并且从而恢复公用电网的标称频率（例如，50 Hz或60Hz）。

该方法可以应用于单个风力涡轮机，或者可以例如并行地应用于风场的多个风力涡轮机。

风力涡轮机转子的旋转速度和风力涡轮机的功率输出的当前值可以与实际测量或导出的值相关，并且可以被连续地更新。风力涡轮机转子的旋转速度可以与风力涡轮机转子的电气旋转速度或机械旋转速度相关。

风力涡轮机的功率输出可以特别地与风力涡轮机的有功功率输出相关，该有功功率输出可以例如通过测量电气量来确定，该电气量诸如在风力涡轮机的输出端子处的电压和电流。风力涡轮机可以特别地包括作为发电机的永磁同步电机，该永磁同步电机耦合到转子，在该转子处，连接有多个转子叶片。此外，可以将转换器连接到发电机的输出端子，该转换器特别地包括AC-DC部分、DC链路和DC-AC部分，该转换器能够将可变频率的AC功率流转换成基本上固定频率的AC功率流。此外，在转换器的下游，可以提供风力涡轮机变压器，以用于将输出功率流变换到更高的电压。

该方法可以（紧接）在开始惯性响应之前开始，并且可以遍及惯性响应持续时间、即遍及预设惯性响应时间间隔而继续。该方法可以例如在风力涡轮机的操作期间一直运行。惯性响应可以例如在惯性响应的开始时间点处开始，并且可以在惯性响应的结束时间点处终止。剩余时间间隔可以是惯性响应的结束时间点与当前时间点（该当前时间点特别地在惯性响应已经开始之后）之间的差。因此，该方法可以基于连续更新的当前值和连续更新的剩余时间间隔来连续且重复地导出附加功率输出。因此，可以计及外部或环境条件中的改变，特别地用于改进所导出的附加功率输出的可靠性和/或准确性。

特别地，该方法被设计成导出附加功率输出，使得所导出的附加功率输出实际上可用于在整个预定惯性响应时间间隔期间输出到公用电网。因此，在理想情况下，实际上在整个预定惯性响应时间间隔期间输出的附加功率不需要变化超过10%，特别地超过5%，因此可以基本上是恒定的。因此，稳定公用电网的电气性质可以以改进的方式来实现。根据本发明的实施例，该方法使用与惯性响应发起之前或发起时的操作状态相对应的起始在先值（prior-value）作为当前值，并且使用预设惯性响应时间间隔作为剩余时间间隔。

功率输出的在先值可以与风力涡轮机的有功功率输出的在先值相关，有功功率输出的在先值可以特别地低于风力涡轮机根据与旋转速度和最大功率相关的功率曲线能够输出的最大功率。此外，旋转速度的在先值可以高于旋转速度的下限。操作状态可以至少由旋转速度值和功率输出值来定义。此外，可以包括其他操作参数，诸如桨距角（pitchangle）等。

根据本发明的实施例，遍及预设惯性响应时间间隔来更新当前值和剩余时间间隔，并且基于更新的值来重复地导出附加功率输出。

旋转速度和/或功率输出的当前值可能由于环境条件中的改变（诸如，风速中的改变）而变化，但是也可能由于附加输出的功率而变化。在执行该方法时，剩余时间间隔可能会不断地减少。

所估计的附加功率输出可以被传送到风场控制器，并且特别地还被传送到公用电网操作者。当公用电网操作者接收到关于多个风力涡轮机所输出的附加功率的信息时，公用电网操作者可以有利地根据风场的所有风力涡轮机的所估计的附加功率输出向风力涡轮机分配不同的功率参考。因此，用于稳定公用电网的电气性质的稳定动作可以得到改进。

此外，当附加功率输出被重复且连续地导出并传送给公用电网操作者时，公用电网可以进而连续且重复地向风力涡轮机提供（新的或更新的）功率参考，以用于可靠地支持公用电网。

根据本发明的实施例，导出附加功率进一步基于特别是遍及预设惯性响应时间间隔所使用的风速的在先值、和/或风速的连续更新的当前值，其中特别地根据功率输出和旋转速度的在先值来估计风速的在先值。

当还考虑风速的在先值时，使得能够将叶片桨距角设置为功率最优值，以用于进一步允许增加风力涡轮机的功率输出。根据本发明的实施例，假设风速在整个预设惯性响应时间间隔期间不改变。在这种情况下，可以在执行该方法的整个过程中利用风速的在先值。在其他实施例中，可以连续地导出并考虑风速值，从而也考虑可能改变的风条件。

根据本发明的实施例，可以根据功率输出和旋转速度来估计风速值，或者在仍其他实施例中，可以使用安装在相应风力涡轮机处或靠近或远离风力涡轮机的桅杆（mast）处的一个或多个风速计来测量风速值。

根据本发明的实施例，导出附加功率输出进一步基于取决于旋转速度值和功率输出值的桨距角的功率最优值的关系。

桨距角的功率最优值可以是桨距角的特定值，针对该特定值，在目前的环境条件（包括风速、旋转速度）下的功率输出可以是最大的。特别地，在发起惯性响应之前，桨距角可以不被调节到桨距角的功率最优值，例如因为已经达到了标称功率和/或也已经达到了标称旋转速度。此外，可能已经达到了标称风速。如果例如风速大于标称风速，并且风力涡轮机可以被操作成使得功率输出处于标称功率输出（例如，低于最大功率）并且旋转速度处于标称旋转速度。在这种情况下，随着风速增加，可以使桨距角朝向顺桨位置（featherposition）连续地增加，以便将旋转速度和功率输出维持在相应的标称值处。在这种情形下，当需要激活惯性响应时，可以将风力涡轮机调节到功率优化的桨距角，以用于仍然增加超过标称功率输出的功率输出。

根据本发明的实施例，导出附加功率输出包括求解优化问题，在优化问题中，旋转速度的在后值（post-value）是优化变量，其中旋转速度的在后值被确定为使得附加功率输出最大化，其中特别地使用单纯形（simplex）方法来求解优化问题。

优化问题可以特别地是非线性优化问题。可以应用求解线性优化问题的其他方法。

在优化问题中，可以最大化附加功率输出，这可能需要找到旋转速度的特定在后值。因此，旋转速度的在后值可能不是预先给定的量，但是可以在执行该方法时被找到或确定。旋转速度的在后值可以是在终止惯性响应之后、即在惯性响应的开始时间点之后经过了预设惯性响应时间间隔之后达到的旋转速度。因此，旋转速度的在后值可以是如存在于惯性响应的结束时间点处或之后的旋转速度值。

单纯形算法或单纯形方法是用于线性规划的一种传统算法。特别地，可以应用针对非线性优化的下坡单纯形方法（也被称为Nelder-Mead方法）。在该方法期间或在该方法中，利用了单纯形锥（simplicial cone），并且这些锥成为具有附加约束的适当单纯形。单纯形锥是被称为多面体的几何对象的拐角（即，顶点的邻域）。该多面体的形状可以通过应用于目标函数的约束来定义。线性不等式系统将多面体定义为可行区域。单纯形算法可以从起始顶点开始，并且可以沿着多面体的边移动，直到它到达最优解的顶点为止。通过采用单纯形方法，可以提供简单的实现方式。

根据一实施例，可用附加功率被最大化，其中在后转子速度作为自由变量。它受到以下约束：

在先功率+所估计的附加功率应当小于或等于在后速度下的最大功率包络，

在后速度和最优桨距下的功率应当大于在先功率−最大允许下降（dip），

在后速度应当大于关于转子速度的最小极限。

根据本发明的实施例，满足以下约束中的至少一个：旋转速度值特别地遍及该方法高于预设旋转速度下限；在惯性响应之后的从功率输出在先值到功率输出在后值的功率降低高于预设功率降低极限；预设功率曲线指定取决于旋转速度的最大功率输出。

预设旋转速度下限可能已经由风场操作者或公用电网操作者所设置。如果旋转速度值高于预设旋转速度下限（特别地，遍及该方法），则可以执行转子的再加速（reacceleration）以在合理的短时间间隔内达到标称旋转速度。如果功率降低高于预设功率降低极限，则功率输出到标称功率输出的恢复也可能会加速。

在该优化中，还可以使用最小功率极限来预测附加功率，使得可以在不违反该最小功率极限的情况下递送附加功率。当涡轮机在恢复期间达到该功率极限时，它可以将输出维持到最小功率极限，直到转子速度恢复，或者如果当它达到最小功率极限时转子速度降低到某个极限以下（该极限是相对于转子速度而言的），则涡轮机在功率方面会进一步降低。

预设功率曲线可以是旋转速度与最大功率输出、特别是风力涡轮机的最大有功功率输出之间的关系。最大功率输出可以与取决于旋转速度最大程度地可提供给公用电网的功率输出相关。

如果单独地或以任何组合满足了这些约束，则在惯性响应之后恢复风力涡轮机的标称操作行为可以被简化。根据本发明的实施例，所导出的附加功率输出小于特别是针对旋转速度在先值的根据预设功率曲线的最大功率输出与功率输出在先值之间的差。

在传统上，功率输出可能已经从功率输出的在先值增加到最大可能功率输出，即增加到针对旋转速度在先值的预设功率曲线上的功率输出。相比之下，根据本发明的该实施例，所导出的附加功率输出小于针对旋转速度在后值的最大功率输出与功率输出在先值之间的差。因此，使得能够在整个预设惯性响应时间间隔期间提供该导出的附加功率输出，而无需对公用电网进行重大改变。在传统方法中，附加功率输出会改变，特别是在预设惯性响应时间间隔期间大幅度下降。当实际输出的附加功率基本上恒定时，用于稳定电网的控制可以更高效和/或简化。

根据本发明的实施例，为了导出附加功率输出，考虑以下各项中的至少一个、特别是全部：转子减速相关的功率增益，其特别地取决于旋转速度当前值的平方与旋转速度在后值的平方之间的差；桨距优化相关的功率增益，其特别是作为最优桨距角——特别是为了针对（功率输出和）旋转速度的当前值来优化功率输出而设置的桨距角——下的功率输出与功率输出在先值之间的差而获得的；转子效率相关的功率损失，其特别是作为功率输出在先值与功率输出在后值之间的差的一半而获得的，该功率输出在后值是惯性响应之后的、能够在不损失旋转速度的情况下以旋转速度在后值来输出的功率输出的在后值。

转子减速相关的功率增益可以被确定为当前在转子内的旋转能量与惯性响应终止之后的旋转能量之间的差，其中该差可以除以预设惯性响应时间间隔的两倍。因此，转子减速相关的功率增益可以与能量守恒相关。

如果在该方法期间还调节转子叶片的桨距角，则可以特别地考虑桨距优化相关的功率增益。当桨距角取决于当前操作条件被设置为功率最优值时，可以得到另外的功率以用于增加附加功率输出的量。

转子效率相关的功率损失可以与用于在转子速度下降时处理转子效率改变的补偿相关。转子效率补偿的目的可以是：在给定恒定风速的情况下，补偿较低转子速度下转子的效率降低。因此，功率输出的在先值是发起惯性响应之前的功率输出（转子能够在不损失旋转速度的情况下以惯性响应之前的速度产生的功率）。功率的在后值是转子能够在不损失速度的情况下以旋转速度的在后值产生的功率（例如，在查找表中基于旋转速度的在后值、风速、特别是风速的在先值、以及最优桨距角来查找）。从旋转速度的在先值进行到旋转速度的在后值花费了预设惯性响应时间间隔。然后，通过这两个转子速度之间的能量平衡的一半来近似能量损失。

该近似假设：在惯性响应期间、即在预设惯性响应时间间隔期间，转子速度以恒定的转子速度降低速率而降低。因此，可以以简单的方式来计及效率改变。

根据本发明的实施例，附加功率输出是作为转子减速相关的功率增益和桨距优化相关的功率增益的总和减去转子效率相关的功率损失而获得的。因此，可以以简单的组合来考虑用于导出附加功率输出的最重要因素。

根据本发明的实施例，在预设惯性响应时间间隔期间，桨距角被改变，特别是针对功率输出和旋转速度的相应当前值关于功率输出而被优化。当桨距角被改变时，可附加地输出的功率可以仍进一步增加。在另一个实施例中，桨距角被保持在固定（例如，功率最优）值处。

根据本发明的实施例，提供了一种用于在惯性响应期间控制包括多个风力涡轮机的风场的方法，该方法包括：针对多个风力涡轮机中的至少一个风力涡轮机来执行根据前述实施例之一的方法；基于所估计的附加功率输出来控制至少一个风力涡轮机，所估计的附加功率输出特别地用作对实际输出功率的上限。

当针对风力涡轮机中的一个或全部来估计附加功率输出时，可以利用不同的功率参考来单独地控制相应的风力涡轮机，同时确保相应的风力涡轮机实际上能够提供所估计的附加功率输出。因此，稳定公用电网可以得到改进。

该方法可以进一步包括：将不同的功率参考分配给风力涡轮机，功率参考取决于所有风力涡轮机的所估计的附加功率输出，使得功率参考的总和遍及预设惯性响应时间间隔恒定为预设总功率值。

预设总功率值可以例如由公用电网操作者导出并计算，使得当预设总功率值实际上被提供给公用电网时可以实现电网稳定。根据不同的功率参考，不同的风力涡轮机可以根据所估计的相应功率输出来提供不同的附加功率输出。

应当理解的是，所公开、描述或被应用到针对惯性响应来估计附加功率输出的方法的特征（单独地或以任何组合）也可以单独地或以任何组合被应用于根据本发明的实施例的用于针对惯性响应来估计附加功率输出的布置，并且反之亦然。

根据本发明的实施例，提供了一种用于针对惯性响应来估计（特别是最大）附加功率输出（风力涡轮机功率输出的附加功率输出）的布置，该附加功率输出将可用于遍及预设惯性响应时间间隔来输出，该布置包括：输入模块，其被适配成获得至少风力涡轮机转子的旋转速度和风力涡轮机的功率输出的当前值；处理器，其被适配成基于所获得的当前值以及预设惯性响应时间间隔的剩余时间间隔来导出附加功率输出，特别地，使得附加功率可用于在整个预定时间间隔期间输出。

此外，根据一实施例，提供了一种风力涡轮机，包括：转子，其上安装有多个转子叶片，转子叶片关于桨距角是可调节的；与转子耦合的发电机；以及根据前述实施例的布置。

此外，提供了一种风场，其包括如前述实施例中定义的多个风力涡轮机。

根据下文将描述的实施例的示例，本发明的上面定义的方面以及进一步方面是明显的，并且参考实施例的示例来进行解释。下面将参考实施例的示例来更详细地描述本发明，但是本发明不限于这些示例。